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蛋白质中氢键和 n→π* 相互作用的相互影响。

Interplay of hydrogen bonds and n→π* interactions in proteins.

机构信息

School of Chemistry, University of Bristol , Bristol BS8 1TS, United Kingdom.

出版信息

J Am Chem Soc. 2013 Dec 11;135(49):18682-8. doi: 10.1021/ja4106122. Epub 2013 Dec 3.

Abstract

Protein structures are stabilized by multiple weak interactions, including the hydrophobic effect, hydrogen bonds, electrostatic effects, and van der Waals interactions. Among these interactions, the hydrogen bond is distinct in having its origins in electron delocalization. Recently, another type of electron delocalization, the n→π* interaction between carbonyl groups, has been shown to play a role in stabilizing protein structure. Here we examine the interplay between hydrogen bonding and n→π* interactions. To address this issue, we used data available from high-resolution protein crystal structures to interrogate asparagine side-chain oxygen atoms that are both acceptors of a hydrogen bond and donors of an n→π* interaction. Then we employed natural bond orbital analysis to determine the relative energetic contributions of the hydrogen bonds and n→π* interactions in these systems. We found that an n→π* interaction is worth ~5-25% of a hydrogen bond and that stronger hydrogen bonds tend to attenuate or obscure n→π* interactions. Conversely, weaker hydrogen bonds correlate with stronger n→π* interactions and demixing of the orbitals occupied by the oxygen lone pairs. Thus, these two interactions conspire to stabilize local backbone-side-chain contacts, which argues for the inclusion of n→π* interactions in the inventory of non-covalent forces that contribute to protein stability and thus in force fields for biomolecular modeling.

摘要

蛋白质结构由多种弱相互作用稳定,包括疏水作用、氢键、静电效应和范德华相互作用。在这些相互作用中,氢键的独特之处在于其起源于电子离域。最近,另一种类型的电子离域,即羰基之间的 n→π* 相互作用,已被证明在稳定蛋白质结构中发挥作用。在这里,我们研究了氢键和 n→π* 相互作用之间的相互作用。为了解决这个问题,我们使用高分辨率蛋白质晶体结构中可用的数据来研究天冬酰胺侧链氧原子,这些氧原子既是氢键的受体,也是 n→π* 相互作用的供体。然后,我们采用自然键轨道分析来确定这些体系中氢键和 n→π* 相互作用的相对能量贡献。我们发现,n→π* 相互作用的价值约为氢键的 5-25%,并且更强的氢键往往会减弱或掩盖 n→π* 相互作用。相反,较弱的氢键与较强的 n→π* 相互作用以及氧孤对占据轨道的离域相关。因此,这两种相互作用共同稳定局部骨架-侧链接触,这表明 n→π* 相互作用应包含在有助于蛋白质稳定性的非共价力的清单中,从而包含在生物分子建模的力场中。

https://cdn.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/blobs/6b59/3940535/172aacc68eee/nihms546185f1.jpg

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